книги из ГПНТБ / Цейтлин Ю.А. Установки для кондиционирования воздуха в шахтах [Текст] 1974. - 166 с

Удельная работа, затрачиваемая за цикл,

тг будет ей соответствовать площадь цикла 1—а —2—Ь. Эффективность цикла определяется величиной холодильного

коэффициента

Если расход хладагента в контуре холодильной установки обозначим М, то холодильная мощность ее составит

Несмотря на то, что описанный цикл характеризуется мак­ симальным холодильным коэффициентом, подобные установки

Рис. 4. Холодильные циклы на Г—s-диаграмме:

а — обратный цикл Карно; б — основной цикл

на практике не применяются. Причиной этого являются необхо­ димость сжатия влажного пара в компрессоре и значительное усложнение установки при сравнительно малом выигрыше в работе, вызываемом наличием детандера.

Осуществление сжатия влажного пара приводит к усилен­ ному износу и снижению показателей работы компрессора, а в поршневых компрессорах и к возможности аварийного ре­ жима при накоплении жидкого хладагента в цилиндрах.

Работа, получаемая в детандере ПК.ХУ, незначительна по сравнению с затрачиваемой работой. Например, при работе уста­ новки с температурой испарения + 5 °С и температурой конден­ сации + 35° С теоретическая (без учета потерь) работа, полу­ чаемая в детандере при использовании в качестве хладагента CF2 CI2 (фреона 12), составляет 7% теоретической работы, за­ трачиваемой в компрессоре, а при использовании N3H (аммиа­ ка) — 2% той же величины. Если же учесть потери, имеющие

20

место в реальных машинах, то эти величины будут в три-четыре раза меньше, поэтому на практике применяют схему ПКХУ, показанную на рис. 2,6.

Как видно из рис. 2, б, в этой установке вместо детандера после конденсатора устанавливается регулирующий (дроссель­ ный) вентиль РВ и процесс адиабатного расширения заменяется процессом дросселирования 2—b (см. рис. 4, б) (из-за необра­ тимости этого процесса график его может быть показан лишь условно по параметрам начального и конечного состояния хлад­ агентѣ). Кроме того, в компрессоре реальной установки происхо­ дит сжатие перегретого пара, конечная температура которого при давлении, равном давлению в конденсаторе, будет выше Тк, т. е. Та>Тк, и процесс охлаждения хладагента в конденсаторе будет изотермическим только на отрезке d—2.

Если сравнить теоретический цикл 1—а—d—2—b—1 реаль­ ной ПКХУ с обратным циклом Карно 1'—d—2—b'—1’, проходя­ щим при тех же давлениях рабочего тела в конденсаторе и испарителе, можно отметить следующее: использование дроссе­ лирования вместо расширения пара приводит к снижению удель­ ной холодопроизводителы-юсти и повышению удельной затрачи-

.ваемой работы, сжатие перегретого пара также увеличивает

и графически определяется площадью g—1—b—f.

Удельное количество тепла, отдаваемое хладагентом в кон­

Этой величине соответствует площадь g—а—d—2—е. Удельная энтальпия вещества на Т—s-диаграмме может

быть выражена площадью, лежащей под изобарой, проведен­ ной из точки, характеризующей состояние вещества (например, точка а), до точки с нулевой удельной энтальпией (точка 4). Таким образом, энтальпия пара іа эквивалентна площади g ■—а.—d—2—4—k—g. Соответственно энтальпия к эквивалентна площади е—2—4—k.

Удельная работа за цикл

В выражении (39) взаимно уничтожаются равные по вели­ чине, имеющие противоположные знаки энтальпии к и к (при дросселировании начальная энтальпия равна конечной). Работе, затрачиваемой за цикл, соответствует площадь f—b— 1—а—d— 2—е. Площадь f■—b—2—е определяет работу, теряемую из-за необратимости процесса дросселирования. Удельная работа цикла может быть выражена и площадью 1—а—d—2—3. Дейст­

21

вительно, вычитая из площади g—а—d—2—4—/г, соответствую­ щей энтальпии іа, площадь g—1—3—4—k—g, соответствующую энтальпии j'i, получим названную выше площадь. Отсюда сле­ дует, что площади 3—2—Ь' и е—b1—b—f равны.

Холодильный коэффициент рассматриваемого цикла

і—lgр. На этом же рисунке показаны отрезки, соответствующие <7х, <7к и /. Таким образом, нанеся цикл на рассматриваемую диа­ грамму, можно определить основные показатели его работы.

2. Основные свойства хладагентов и холодоносителей

При выборе рабочего вещества (хладагента) для ПКХУ не­ обходимо учитывать ряд основных требований, предъявляемых

кнему.

1.Давление насыщенного пара при температуре охлаждаю­ щей среды должно быть по возможности низким. Это приведет

куменьшению веса и улучшению условий эксплуатации уста­ новки.

2.Давление в испарителе должно превышать атмосферное давление во избежание подсоса воздуха в установку.

3.Температуря замерзания хладагента должна быть на

5—10° С ниже минимально возможной температуры в установке.

22

4.Значение холодильного коэффициента должно быть самым высоким.

5.Удельный объем пара перед поршневым компрессором

должен быть малым, а перед турбокомпрессором большим.

6.Невысокая вязкость необходима для улучшения тепло­ обмена, однако слишком малая вязкость нежелательна из-за увеличения утечек хладагента.

7.Взрывобезопасность, нетоксичность, негорючесть.

8.Химическая стабильность и пассивность (отсутствие взаимодействия с металлическими частями установки).

9.Небольшая стоимость.

В настоящее время в ПКХУ наибольшее распространение в качестве холодильных агентов получили аммиак (NH3) и «фреоны, представляющие собой галоидные производные на­ сыщенных углеводородов, в основном метана (СНА и эта­ на (СоН6).

Аммиак широко применяется в установках с поршневыми компрессорами при температуре испарения, превышающей —75°С. Основные достоинства аммиака: малый удельный объем в области практического его использования; высокие значения холодильного коэффициента и удельной холодопроизводительности, небольшая стоимость, отсутствие корродирующего воз­ действия на сталь (однако цинк, медь и медные сплавы аммиак в присутствии воды разъедает).

Основными недостатками аммиака являются: токсичность, взрывоопасность и воспламеняемость при определенной кон­ центрации его в воздухе.

На шахтах установки с использованием аммиака приме­ няются только на поверхности при соблюдении необходимых мер безопасности.

Фреоиы составляют целый ряд хладагентов, значительно •отличающихся по своим свойствам. В зависимости от состава ■фреон обозначается соответствующим номером. Первая цифра в двузначном номере или первые две цифры в трехзначном номере определяют насыщенный углеводород, на базе которого получен фреон (например, 1 — метан СН*, И — этан СгН6). Сле­ дующая цифра определяет число атомов фтора в молекуле фреона, например, фреон 12 (дифтордихлорметан) получен на базе метана и содержит два атома фтора (CF2 CI2 ) ; фреон 11 — CFCI3 и т. д. При наличии во фреоне атомов водорода их число прибавляется к числу десятков номера, например CFC13 —Ф-11, но CHFCI2 — Ф-21 и т. д.

С уменьшением числа атомов водорода в молекуле фреона уменьшается его воспламеняемость и взрывоопасность. С увели­ чением числа атомов фтора снижаются токсичность и корро­ зионная активность.

Основными достоинствами фреонов (Ф-12, Ф-11, Ф-13 и дру­ гих), широко используемых в ПКХУ, являются: небольшая

23

токсичность и коррозионная активность, сравнительно высокие значения холодильного коэффициента.

Недостатками этих веществ являются: малая удельная холо- допроизводителы-юсть; взаимная растворимость фреонов и ма­ сел; более высокая, чем у аммиака, стоимость; способность при соприкосновении с открытым пламенем образовывать токсичные

цикла ПКХУ при температуре испарения + 5аС п температуре конденсации +35° С для наиболее распространенных в промыш­ ленности хладагентов.

В приложении II приведены основные свойства аммиака и фреона 12 при различных температурах.

В установках для кондиционирования воздуха часто для передачи тепла от воздуха хладагенту используется промежу­ точный холодоноситель. Такая схема принимается в том случае,, если хладагент токсичен и нельзя допустить даже малейшей возможности просачивания его в помещение, в котором конди­ ционируется воздух, или в случае, если по каким-либо причинам холодильная установка не может быть расположена в непосред­ ственной близости от места кондиционирования.

При наличии в установке промежуточного холодоносителя к нему предъявляются следующие требования:

1)низкая температура замерзания;

2)высокая теплоемкость и малая вязкость;

3)химическая стойкость, небольшая коррозионная актив­

ность;

4)взрывобезопасность, нетоксичность, негорючесть;

5)небольшая стоимость.

24

Обычно в качестве холодоносителей используются рассолы

■соли в растворе. Эта зависимость характеризуется наличием минимума, соответствующего так называемой эвтектической точке. Повышение концентрации сверх эвтектической не имеет ■смысла из-за повышения температуры замерзания. Массо­ вая концентрация, соответствующая минимальной температуре

3. Усовершенствование основного цикла для повышения эффективности работы ПКХУ

В некоторых случаях заметное повышение эффективности ра­ боты ПКХУ дает применение переохлаждения конденсата перед регулирующим вентилем и перегрева пара перед компрессором.

ратора П позволяет снизить влияние потерь при дросселирова­ нии на холодопроизводительность установки. Однако к энерге­ тическому выигрышу такая схема приводит не всегда, а лишь в тех случаях, когда хладагент наряду с невысокой скрытой теплотой парообразования имеет значительную теплоемкость' (например, фреон-12).

Для установки с регенерацией тепла удельная холодопроиз­

Таким образом, если холодопроизводительность установки при использовании переохладителя конденсата увеличивается всегда, то холодильный коэффициент в зависимости от свойств

25

хладагента может и увеличиваться, и уменьшаться. Так, напри­ мер, при работе ПКХУ с ^,= + 5 °С и fK=+35°C и использова­ нии регенеративного теплообмена переохлаждение конденсата иа 10° С приводит у фреоновой установки (Ф-12) к повышению' удельной холодопроизводнтелыюсти на 13% и холодильного1 коэффициента на 9%, у аммиачной установки удельная холодопроизводительность повышается иа 9%, но холодильный коэф­ фициент снижается на 7%.

Рис. 6. Установка с регенерацией тепла:

а— схема; б — рабочий процесс

Вкрупных холодильных установках для сжатия паров хлад­ агента используются центробежные компрессорные машины. Степень повышения давления в одной ступени турбокомпрессора обычно не превышает 1,5—2, поэтому даже при сравнительно высоких температурах охлаждаемой среды в установках для кондиционирования воздуха приходится использовать много­ ступенчатые компрессоры. В этих условиях для повышения эффективности работы установки предусматривается ступенча­ тое дросселирование с отбором пара, образовавшегося после вентиля низкого давления. Схема и рабочий процесс установки показаны иа рис. 7. Жидкий хладагент из конденсатора дроссе­

фаз хладагента, причем пар, состояние которого определяется точкой 5, поступает ко второй секции рабочих колес турбоком­ прессора, а кипящая жидкость (точка 3 на рис. 7, б) дроссели­

26

руется в регулирующем вентиле низкого давления РВН и на­ правляется в испаритель. Состояние пара хладагента на входе во вторую секцию турбокомпрессора (точка 6) определяется па­ раметрами и массами смешивающихся перегретого пара, сжато­ го в первой секции турбокомпрессора, и сухого пара, поступаю­ щего из отделителя жидкости:

где Мп.„ и Мс.п — соответственно массовые расходы перегретого пара, поступающего из первой секции, и сухого пара, засасываемого из отделителя жидкости;

Рис. 7. Турбокомпрессорная установка:

а — схема: б — рабочий процесс.

Благодаря снижению температуры пара, засасываемого вто­ рой секцией, за счет добавки более холодного сухого пара из отделителя жидкости уменьшается удельная работа второй сек­

27

Холодильный коэффициент цикла

Для рассматриваемого цикла мощность на валу компрессора меньше, а удельная холодопроизводительность больше, чем в основном.

П р и м е р 3. Определить основные показатели цикла фреоновой (Ф-12) турбокомпрессорноіі холодильной установки с двухступенчатым дросселиро­ ванием, если необходимая холодильная мощность составляет 1000 квт; темпе­

При работе такой же установки по основному циклу (см. рис. 4, б) удельная холодопроизводнтелыюсть составила бы 116 кдж/кг, необходимый расход фреона-12 в контуре 8,63 кг/сек. Мощность на валу компрессора со­ ставила 216 квт, а холодильный коэффициент 4,63.

4.Особенности работы компрессоров ПКХУ

Вхолодильных установках, используемых при кондициони­ ровании воздуха в шахтах, применяются поршневые компрессоры

итурбокомпрессоры. Тип компрессора определяется в основном

28

его ооъемиои производительностью,, которая в конкретных усло­ виях зависит от холодильной мощности установки и физических свойств принятого хладагента.

Компрессоры, используемые в Ш<ХУ, условно разделяются

ство представляет собой объем, заключенный между поршнем компрессора, находящимся в крайнем положении (конец фазы выталкивания), и крышкой цилиндра. Работа компрессора ха­ рактеризуется производительностью, мощностью на валу и пол­ ным к. п. д.

Объемной производительностью ■ компрессора называют объем пара, фактически подаваемого в единицу времени в на­ гнетательный трубопровод, приведенный к условиям всасыва­ ния в компрессор. Массовой производительностью компрессора называют массу пара, фактически подаваемого в нагнетатель­ ный трубопровод в единицу времени. Зависимость объемной и массовой производительности имеет следующий вид:

29-